Однофазный синхронный генератор (варианты)

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в автономных энергоустановках. Сущность изобретения состоит в следующем. Однофазный синхронный генератор(СГ) в различных конструктивных исполнениях включает в себя неподвижный корпус 2, индуктор с валом 1, ярмом 3 и полюсной системой 4 из 2p постоянных магнитов чередующейся полярности, якорь с шихтованным ферромагнитным кольцом, 2p когтеобразными шлихтованными пакетами 5 и кольцевой обмоткой 6, закрепленной на корпусе соосно с валом индуктора. В одном из вариантов СГ пакеты 5 закреплены на корпусе 3, причем каждый из них одной торцовой поверхности обращен к индуктору, а другой без зазора примыкает к кольцу 7. В корпусе варианта пакет когтеобразных полюсов закреплен на корпусе, но со смещением один относительно другого в тангенциальном направлении на 2π/p градусов. Один торец пакетов примыкает к кольцу, другой - обращен к индуктору. В третьем и четвертом вариантах половина пакетов размещена на дополнительном валу, а половина пакетов на корпусе -с взаимным смещением на 2π/p градусов. Между кольцом и пакетами на дополнительном валу или всеми к пакетам в этих вариантах предусмотрен зазор. Изобретение повышает удельные энергетические показатели. 4 с. и 2 з.п. ф-лы, 8 ил.

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в автономных энергоустановках (дизельных, ветровых, волновых).

Известен однофазный синхронный генератор (Л.М. Паластин "Электрические машины с автономных источников питания", Энергия, 1972, с. 87 94) с возбуждением от постоянных магнитов, выполненный по классической схеме с шихтованным зубцово-пазовым статором, 2/3 пазов которого занимает однофазная обмотка.

Недостатком генератора классической конструкции является повышенный расход меди за счет лобовых частей обмотки, за счет магнитопровода зубцово-пазовой зоны, не занятой обмоткой, сложность обмоточно-изолированных работ, существенный отход стали при производстве штамповочных работ.

Наиболее близким к изобретению (прототипом) является однофазный шаговый электродвигатель (авт. св. N 1377977, кл. H 02 K 37/00, 1988), способный, в соответствии с принципом обратимости электрических машин, выполнять функцию генератора электрической энергии. Этот генератор (двигатель) включает в себя корпус, индуктор (ротор) с валом, ярмом и полюсной системой из 2p постоянных магнитов чередующейся полярности, якорь (статор) с 2p когтеобразными полюсами и кольцевой обмоткой/ жестко закрепленной на корпусе соосно с валом индуктора (ротора).

Достоинства прототипа являются простота конструкции, повышение надежности вследствие беспазовости якоря и катушечного характера обмотки, что является чрезвычайно важным для автономных источников электроэнергии. Кроме того, преимуществом генератора, выполненного по авт. св. N 1377977, является пониженная себестоимость вследствие сокращения объема дорогостоящей обмоточной меди за счет устранения лобовых частей. Однако генератор, выполненный по известному решению, характеризуется невысоким уровнем удельных энергетических показателей, обусловленным повышенными потерями в магнитопроводе якоря за счет отсутствия шихтовки, низким напряжением, индукцированным в обмотке якоря, повышенным расходом электротехнической стали магнитопровода якоря.

Анализ известных технических решений свидетельствует о целесообразности разработки однофазного синхронного генератора, обеспечивающего более высокие удельные энергетические показатели.

Это достигается тем, что в генераторе, выполненном по известному решению, включающем в себя корпус, индуктор с валом, ярмом и полюсной системой из 2p постоянных магнитов чередующейся полярности, якорь с 2p когтеобразными полюсами и кольцевой обмоткой, закрепленной на корпусе соосно с валом индуктора, указанный якорь снабжен шихтованным ферромагнитным кольцом, жестко закрепленным на корпусе соосно с валом индуктора, когтеобразные полюсы якоря выполнены в виде шихтованных ферромагнитных пакетов, закрепленных на корпусе таким образом, что каждый из пакетов одной торцовой поверхности примыкает к кольцу, а другой обращен к полюсам индуктора, при этом в плоскости примыкания кольца и пакетов направления шихтовки кольца и пакетов взаимно перпендикулярны.

Обеспечение высоких удельных энергетических показателей достигается также тем, что в однофазном синхронном генераторе, выполненном по известному решению, включающем в себя корпус, индуктор с валом, ярмом и полюсной системой из 2p постоянных магнитов чередующейся полярности, якорь с 2p когтеобразными полюсами и кольцевой обмоткой, закрепленной на корпусе соосно с валом индуктора, якорь снабжен шихтованным ферромагнитным кольцом, жестко закрепленным на корпусе соосно с валом индуктора, когтеобразные полюсы якоря выполнены в виде шихтованных ферромагнитных пакетов, закрепленных на корпусе со смещением в тангенциальном направлении один относительно другого на 2π/p градусов, причем одной из своих торцовых поверхностей пакеты примыкают к кольцу, а другой стороной половина пакетов обращена к полюсам индуктора, а вторая половина пакетов обращена к ярму индуктора.

Кроме того, обеспечение высоких удельных энергетических показателей достигается тем, что в вышерассмотренном однофазном синхронном генераторе в плоскости примыкания пакетов к кольцу направления шихтовки пакетов и кольца совпадают друг с другом, а плоскости листов шихтованных пакетов на участках, обращенных к индуктору, образуют с торцовыми поверхностями полюсов и ярма индуктора угол α=arcsinB_δ/B_ст где B_ct индукция в когтеобразных полюсах якоря, определяемая уровнем насыщения стали, а B_δ индукция в рабочем зазоре генератора.

Обеспечение высоких удельных энергетических показателей достигается также тем, что однофазный синхронный генератор, выполненный по известному решению, содержащий корпус, индуктор с валом, ярмом и полюсной системой из 2p постоянных магнитов чередующейся полярности, якорь с 2p когтеобразными полюсами и кольцевой обмоткой, закрепленной на корпусе соосно с валом индуктора снабжен дополнительным валом, якорь снабжен шихтованным ферромагнитным кольцом, жестко закрепленным на корпусе соосно с валом индуктора, когтеобразные полюса якоря выполнены в виде шихтованных ферромагнитных пакетов, половина которых закреплена на корпусе со смещением в тангенциальном направлении один относительно другого на p/p градусов таким образом, что каждый из пакетов одной торцовой поверхности обращен к кольцу, а другой к полюсам индуктора, при этом между пакетами и кольцом предусмотрен зазор.

Это также достигается тем, что однофазный синхронный генератор, содержащий корпус, индуктор с валом, ярмом и полюсной системой из 2p постоянных магнитов чередующейся полярности, якорь с 2p когтеобразными полюсами и кольцевой обмоткой, закрепленной на корпусе соосно с валом индуктора, снабжен дополнительным валом, якорь снабжен шихтованным ферромагнитным кольцом, жестко закрепленным на корпусе соосно с валом индуктора, когтеобразные полюсы якоря выполнены в виде шихтованных ферромагнитных пакетов, половина которых закреплена на корпусе со смещением в тангенциальном направлении один напротив другого на 2π/p градусов таким образом, что каждый из пакетов одной из своих торцовых сторон отражен к ярму индуктора, а другой примыкает к кольцу, вторая половина пакетов закреплена на дополнительном валу со смещением в тангенциальном направлении один относительно другого на 2π/p градусов таким образом, что каждый из пакетов одной из своих торцовых сторон обращен к полюсам индуктора, а другой к кольцу, при этом между пакетами, закрепленными на дополнительном валу, и кольцом предусмотрен зазор.

Кроме того, обеспечение высоких удельных показателей достигается тем, что в выше рассмотренном однофазном синхронном генераторе плоскости листов шихтованных пакетов на участках, обращенных к индуктору, образуют с торцовыми поверхностями полюсов и ярма индуктора угол α=arcsinB_δ/B_ст, где B_δ индукция в рабочем зазоре генератора, B_ct индукция в когтеобразных полюсах якоря, определяемая уровнем насыщения стали.

В результате анализа известных решений заявителем установлено, что такие отличительные признаки, как введение в магнитопровод якоря шихтованного ферромагнитного кольца, сочлененного с корпусом соосно с валом индуктора, выполнение когтеобразных полюсов якоря в виде шихтованных ферромагнитных пакетов, установка их на корпусе таким образом, что каждый из пакетов одной из своих торцовых поверхностей примыкает к кольцу, а другой обращен к полюсам индуктора, причем в плоскости примыкания пакетов к кольцу направления шихтовки пакетов и кольца взаимно перпендикулярны, вообще неизвестны.

Неизвестны также такие отличительные признаки, как размещение на корпусе шихтованных пакетов якоря со смещением в тангенциальном направлении один относительно другого на 2π/p градусов, причем одной из своих торцовых поверхностей пакеты примыкают к кольцу, а другой стороной половина пакетов обращена к полюсам индуктора/ а вторая половина пакетов обращена к ярму индуктора.

Кроме того, неизвестны такие отличительные признаки, как совпадение направлений шихтовки кольца и пакетов в плоскости их примыкания ферромагнитных листов, образующих пакет на участках, обращенных к индуктору, составляют с торцовыми поверхностями полюсов и ярма индуктора угол α=arcsinB_δ/B_ст, где B_δ индукция в рабочем зазоре генератора, B_ct индукция в когтеобразных полюсах якоря, определяемая уровнем насыщения стали.

Также неизвестны такие отличительные признаки, как снабжение генератора дополнительным валом и установка на нем шихтованных ферромагнитных пакетов якоря со смещением в тангенциальном направлении один относительно другого на p/p градусов таким образом, сто каждый из пакетов одной торцовой поверхности обращен к кольцу, а другой к полюсам индуктора, при этом между пакетами и кольцом предусмотрен зазор.

Неизвестны также такие отличительные признаки, как размещение половины пакетов на корпусе со смещением в тангенциальном направлении один относительно другого на 2π/p градусов таким образом, что каждый из пакетов одной из своих торцовых сторон обращен к ярму индуктора, а другой примыкает к кольцу, вторая половина пакетов закреплена на дополнительном валу со смещением в тангенциальном направлении, один относительно другого на 2π/p градусов таким образом, что каждый из пакетов одной из своих торцовых сторон отращен к полюсам индуктора, а другой к кольцу, при этом между пакетами, закрепленными на дополнительном валу, и кольцом предусмотрен зазор.

Кроме того, неизвестны такие отличительные признаки, как выполнение шихтованных ферромагнитных пакетов таким образом, что плоскости листов шихтованных пакетов, установленных на дополнительном валу и на корпусе, на участках, обращенных к индуктору, образуют с торцевыми поверхностями полюсов и ярма индуктора угол α=arcsinB_δ/B_ст где B_δ индуктор в рабочем зазоре генератора, B_ct индукция в когтеобразных полюсах якоря, определяемая уровнем насыщения стали.

На фиг. 1 6 изображены варианты конструктивного решения заявляемого однофазного синхронного генератора. На фиг. 7 представлена одна из возможных конфигураций шихтованного пакета якоря. На фиг. 8 изображен витой из ленточной электротехнической стали сердечник, являющийся основой (после разреза) для безотходного производства шихтованных пакетов якоря.

Однофазный синхронный генератор во всех вариантах (фиг. 1 6), содержит вал 1, корпус 2, сочлененный с валом 1 индуктор, включающий шихтованное ярмо 3, на котором размещены 2p постоянных магнитов 4 чередующейся полярности, якорь, содержащий 2p шихтованных ферромагнитных пакетов 5, кольцевую обмотку 6, жестко закрепленную на корпусе 2 и шихтованное ферромагнитное кольцо 7, установленное на корпусе 2 соосно с валом 1.

На фиг. 1 представлен вариант однофазного синхронного генератора, у которого шихтованные пакеты 5 закреплены на корпусе со смещением в тангенциальном направлении один относительно другого на p/p градусов. Каждый из пакетов (с возможной конфигурацией, представленной на фиг. 7) одной из торцовых сторон примыкает к кольцу 7, а другой к полюсам 4 индуктора.

На фиг. 2 изображен вариант однофазного синхронного генератора, у которого пакеты 5 закреплены на корпусе со смещением в тангенциальном направлении один относительно другого на 2π/p градусов таким образом, что половина пакетов одной торцовой поверхностью примыкает к кольцу 7, а другой - обращена к полюсам 4 индуктора, вторая половина пакетов одной торцовой поверхностью примыкает к кольцу 7, а другой обращена к ярму 4 индуктора.

На фиг. 3 представлен вариант однофазного синхронного генератора, у которого магнитопровод якоря выполнен по безотходной технологии витым из ленточной электротехнической стали. При этом плоскости листов шихтованных пакетов 5 на участках, обращенных к индуктору, образуют с торцевыми плоскостями ярма 3 и полюсов 4 угол α определяемый соотношение индукции в витом пакете 5 и рабочем зазоре между пакетами 5 якоря и индуктором. Чем выше степень насыщение, т.е. лучше использование стали магнитопровода якоря, тем значительнее угол a.

На фиг. 4 изображен вариант однофазного синхронного генератора с дополнительным валом 9. Шихтованные пакеты 5 сочленены посредством ступицы 8 с дополнительным валом 9. Между шихтованным кольцом 7 и пакетом 5 предусмотрен зазор.

На фиг. 5 изображен вариант однофазного синхронного генератора с дополнительным валом 9, на котором посредством ступицы 8 установлена половина пакетов 5 со смещением в тангенциальном направлении один относительно другого на 2π/p градусов, при этом между этими пакетами и кольцом 7 предусмотрен зазор. Вторая половина пакетов 5 установлена на корпусе 2 со смещением в тангенциальном направлении один относительно другого на 2π/p градусов, но без зазора между кольцом 7 и пакетами 5. При этом плоскости листов витых пакетов 5 на участках, обращенных к индуктору, образуют с торцевыми плоскостями ярма 3 и полюсов 4 угол α определяемый соотношением индукции в витом пакете 5 и рабочем зазоре генератора.

На фиг. 6 изображен вариант однофазного синхронного генератора с магнитопроводом якоря, выполненным по безотходной технологии витым из ленточной электротехнической стали. При этом половина пакетов 5 установлена на дополнительном валу 9 со смещением в тангенциальном направлении 2π/p градусов с зазором относительно кольца 7. Вторая половина пакетов 5 закреплена на корпусе 2 со смещением в тангенциальном направлении на 2π/p градусов без зазора относительно кольца 7.

Однофазный синхронный генератор, изображенный на фиг. 1, работает следующим образом. При вращении индуктора сторонним источником механической энергии (например, ветроколесом) в момент времени, когда полюса индуктора противостоят когтеобразным полюсам статора, магнитная система генератора может рассматриваться как совокупность p параллельных магнитных цепей, каждая из которых образована двумя магнитами 4 различной полярности, ярмом 3 индуктора, двумя рабочими зазорами между якорем и индуктором, кольцом 7 и двумя шихтованными пакетами 5. Каждая из этих цепей охватывает неподвижную кольцевую катушку 6 якоря. Результирующий магнитный поток, пронизывающий кольцевую обмотку, определяется соотношением φ_m=p·φ где p число пар полюсов индуктора, φ магнитный поток полюсного деления, порождаемый парой постоянных магнитов индуктора.

При перемещении индуктора на одно полюсное деление суммарный магнитный поток, пронизывающий кольцевую обмотку 6, снижается до нуля и вновь достигает максимального значения, но уже противоположного направления. При вращении индуктора с частотой магнитный поток, пронизывающий неподвижную кольцевую обмотку 6 якоря, изменяется во времени по периодическому закону f(t)=φ_mcos2πnt В результате, в обмотке якоря наводится ЭДС пропорциональная числу витков W обмотки якоря и частоте n вращения индуктора.

Однофазные генераторы, представленные на фиг. 2, 3, работают точно также, как и генератор, изображенный на фиг. 1. Отличие состоит лишь в том, что в момент времени, когда вращающиеся полюсы 4 индуктора противостоят пакетам 5 якоря, магнитная система генератора представляется совокупностью p параллельных магнитных цепей, каждая из которых образована одним магнитом 4 индуктора, ярмом 3, двумя рабочими зазорами между индуктором и якорем, кольцом 7 и двумя шихтованными пакетами 5 якоря.

В однофазных синхронных генераторах, представленных на фиг. 4 6, предполагается, что дополнительный вал 9 вращается сторонним источником механической энергии (например, дополнительным ветроколесом) с частотой n в направлении, противоположном направлению вращения основного вала 1.

При этом относительная частота вращения индуктора и пакетов 5 якоря составляет 2n. В результате, частота изменения магнитного потока, пронизывающего неподвижную кольцевую обмотку 6, увеличивается вдвое и в два раза, по сравнению с вышерассмотренными конструкциями, возрастает уровень наведенной в обмотке 6 ЭДС и, как результат, увеличивается выходное напряжение генератора.

Во всех заявляемых вариантах генератора электрической энергии магнитопровод якоря выполнен шихтованным, что позволяет значительно увеличить (по сравнению с прототипом) уровень магнитного потока, пронизывающего кольцевую обмотку якоря при одновременном снижении потерь в стали. Результатом этого является существенное возрастание электромагнитной мощности, повышение cosϕ и КПД генератора.

Достоинством конструкции генератора, представленных на фиг. 3, 6, также является возможность выполнения якоря по безотходной технологии. Шихтованные пакеты 5 могут быть получены путем разрезания сердечника (фиг. 8), навитого из ленточной электротехнической стали. При этом может быть использована текстурованная сталь, обладающая в направлении проката (т.е. в направлении замыкания магнитного потока) существенно лучшими характеристиками по сравнению с изотропной электротехнической сталью, широко используемой для изготовления магнитопровода. В результате может быть существенно увеличен уровень индукции в магнитопроводе якоря при одновременном снижении потерь с стали, что в конечном счете приводит к увеличению выходного напряжения генератора, повышению его КПД и cosϕ.

Таким образом, предлагаемая конструкция генератора позволяет существенно повысить удельные энергетические показатели. Кроме того, за счет устранения штамповочных работ и ликвидации отходов существенно удешевляется его производство.

Формула изобретения

1. Однофазный синхронный генератор, включающий неподвижный корпус, индуктор с валом, ярмом и полюсной системой из 2р постоянных магнитов чередующейся полярности, якорь с 2р когтеобразными полюсами и кольцевой обмоткой, жестко закрепленной на корпусе соосно с валом индуктора, отличающийся тем, что якорь снабжен ферромагнитным шихтованным кольцом, жестко закрепленным на корпусе соосно с валом индуктора, когтеобразные полюса якоря выполнены в виде ферромагнитных шихтованных пакетов, закрепленных на корпусе таким образом, что каждый из пакетов одной торцовей поверхностью примыкает к кольцу, а другой обращен к полюсам индуктора, при этом в плоскости примыкания пакетов к кольцу направления шихтовки пакетов и кольца взаимно перпендикулярны.

2. Однофазный синхронный генератор, включающий неподвижный корпус, индуктор с валом, ярмом и полюсной системой из 2р постоянных магнитов чередующейся полярности, якорь с 2р когтеобразными полюсами и кольцевой обмоткой, жестко закрепленной на корпусе соосно с валом индуктора, отличающийся тем, что якорь снабжен ферромагнитным шихтованным кольцом, жестко закрепленным на корпусе соосно с валом индуктора, когтеобразные полюса якоря выполнены в виде ферромагнитных шихтованных пакетов, закрепленных на корпусе со смещением в тангенциальном направлении один относительно другого на 2π/p градусов, причем одной из своих торцевых сторон пакеты примыкают к кольцу, а другой стороной половина пакетов обращена к полюсам индуктора, а вторая половина пакетов обращена к ярму индуктора.

3. Генератор по п. 2, отличающийся тем, что в плоскости примыкания пакетов к кольцу направления шихтовки пакетов и кольца совпадают друг с другом, плоскости листов шихтованных пакетов на участках, обращенных к индуктору, образуют с торцевыми плоскостями полюсов и ярма индуктора угол α = arcsinB_δ/B_ст, где B_δ индукция в рабочем зазоре генератора; В_ст индукция в когтеобразных полюсах, определяемая уровнем насыщения стали.

4. Однофазный синхронный генератор, включающий неподвижный корпус, индуктор с валом, ярмом и полюсной системой из 2р постоянных магнитов чередующейся полярности, якорь с 2р когтеобразными полюсами и кольцевой обмоткой, жестко закрепленной на корпусе соосно с валом индуктора, отличающийся тем, что он снабжен дополнительным валом, якорь снабжен шихтованным ферромагнитным кольцом, закрепленным на корпусе соосно с валом индуктора, когтеобразные полюса якоря выполнены в виде шихтованных ферромагнитных пакетов, установленных на дополнительном валу со смещением в тангенциальном направлении один относительно другого на p/p градусов так, что каждый из пакетов одной торцевой поверхностью обращен к кольцу, а другой к полюсам индуктора, при этом между пакетами и кольцом предусмотрен зазор.

5. Однофазный синхронный генератор, включающий неподвижный корпус, индуктор с валом, ярмом и полюсной системой из 2р постоянных магнитов чередующейся полярности, якорь с 2р когтеобразными полюсами и кольцевой обмоткой, жестко закрепленной на корпусе соосно с валом индуктора, отличающийся тем, что он снабжен дополнительным валом, якорь снабжен шихтованным ферромагнитным кольцом, жестко закрепленным на корпусе соосно с валом индуктора, когтеобразные полюса якоря выполнены в виде шихтованных ферромагнитных пакетов, половина которых закреплена на корпусе со смещением в тангенциальном направлении один относительно другого на 2π/p градусов таким образом, что каждый из пакетов одной из своих торцевых сторон обращен к ярму индуктора, а другой примыкает к кольцу, вторая половина пакетов закреплена на дополнительном валу со смещением в тангенциальном направлении один относительно другого на 2π/p градусов таким образом, что каждый из пакетов одной из своих торцевых сторон обращен к полюсам индуктора, а другой к кольцу, при этом между пакетами, закрепленными на дополнительном валу, и кольцом предусмотрен зазор.

6. Генератор по п. 5, отличающийся тем, что плоскости листов шихтованных пакетов на участках, обращенных к индуктору, образуют с торцовыми поверхностями полюсов и ярма индуктора угол α = arcsinB_δ/B_ст,
где B_δ индукция в рабочем зазоре генератора;
В_ст индукция в когтеобразных полюсах якоря, определяемая уровнем насыщения стали.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8